"La preuve est là ! Dirac avait raison : les monopôles magnétiques sont bien réels", tranche David Hall..

Formulée par l'un des pères de la mécanique quantique dès 1931, l'idée est la suivante : comme il existe des particules de charge électrique négative ou positive, il doit y avoir des particules magnétiques qui dirigeraient leur champ dans une unique direction (des monopôles). Mais rien à faire : bien que solide en théorie, l'hypothèse continuait de manquer de preuve expérimentale. Qu'on les observe dans de vulgaires aimants, des roches lunaires ou des fossiles, les particules magnétiques présentent toutes désespérément 2 pôles.
Le physicien et son équipe de l'Amherst College (États-Unis) viennent toutefois de franchir une étape dans cette quête. En refroidissant un gaz d'atomes jusqu'à frôler le zéro absolu, ils sont parvenus à créer un monopôle. Mieux : ils ont alors observé que le champ magnétique produit par ce monopôle dirige les atomes exactement comme l'avait prédit Paul Dirac. "Les atomes s'interdisent de pénétrer dans une zone en forme d'hélice qui se développe autour du pôle magnétique central, décrit David Hall. Cette figure est exactement celle de la théorie". Reste à dénicher le phénomène dans la nature, sous la forme d'une vraie particule monopolaire. "Je suis désormais certain qu'elle existe, avance d'ores et déjà le chercheur. Cette adéquation entre la théorie et l'expérience ne peut être une coincidence".

En janvier 2010, S&V (article suivant) annonçait la production d'un monopôle magnétique. Des cordes de Dirac apparaissent et grandissent avec, à leurs extrémités, des monopôles.

Cet objet, théorisé en 1931, est la moitié d'un dipôle, c'est-à-dire un aimant uniquement nord ou sud. Il y a un an, ce sont des analogues de telles charges élémentaires, générés dans un matériau magnétique nommé "glace de spin", qui avaient été produits. Une étude signée par Elena Mengotti, de l'Institut Paul-Scherrer, à villigen (Suisse), et ses collègues, frappe encore plus fort aujourd'hui : les chercheurs ont réussi à filmer l'émergence et le mouvement de tels objets dans une glace de spin : grâce à un microscope surpuissant, on peut voir des monopôles de charges opposées apparaître à l'extrémité de cordes (dites "cordes de Dirac") qui les relient.

Université de Californie (États-Unis), le 30 juillet. Des chercheurs américains et espagnols viennent de créer un pseudo champ magnétique de 300 Teslas, soit 10 millions de fois le champ magnétique terrestre.

C'est le plus puissant jamais obtenu en laboratoire. En produisant des bosses de quelques nanomètres sur une surface de graphène, un cristal de carbone pur, les physiciens ont observé que les électrons s'y comportent exactement comme s'ils étaient soumis à un très intense champ magnétique ! Une nouvelle propriété du graphène qui devrait trouver des applications dans l'électronique.

Un aimant a toujours 2 pôles, un nord et un sud : coupé en deux, il donne deux aimants indépendants avec chacun... deux pôles. Une singularité qui intrigue depuis le début du XXè siècle : pourquoi électricité et magnétisme, si semblables par ailleurs, diffèrent-ils sur ce point ? Les physiciens traquent en vain depuis lors une particule libre "monopôle". Or, des chercheurs viennent de créer un monopôle magnétique de synthèse...

Les physiciens viennent-ils de réaliser un de leurs fantasmes ? Deux groupes de chercheurs, l'un en Allemagne et l'autre en France, ont en tout cas réussi l'exploit de produire un étrange objet, espéré depuis près de 80 ans : un "monopôle magnétique". Monopôle, c'est-à-dire... la moitié d'un dipôle. L'idée est somme toute assez naturelle : si les aimants (ou dipôles magnétiques) possèdent deux pôles opposés, pourquoi ne pas les couper en deux de manière à isoler d'un côté le pôle sud, et de l'autre le pôle nord ? Car les charges électriques, elles, existent de façon autonome et séparée : négatives (comme dans les électrons) ou positives (comme dans les noyaux atomiques) ! Il serait donc logique qu'il en soit de même pour les charges magnétiques des aimants. C'est d'ailleurs ce que le physicien britannique Paul Dirac, pionnier de la physique quantique, exposa théoriquement dès 1931 : une particule élémentaire magnétique ne possédant qu'un des deux pôles rendrait la théorie de l'électromagnétisme plus "symétrique", donc plus belle ! Sauf que, dans les faits, on a beau couper un aimant en deux, on obtient toujours deux aimants, chacun muni d'un nord et d'un sud, qui s'attirent ou se repoussent selon la face qui leur est présentée ! Et si Paul Dirac envisageait que des particules à un seul pôle pourraient peut-être exister à toute petite échelle, celles-ci ont, jusqu'ici, toujours refusé de se manifester aux yeux des physiciens. Pourtant, d'intenses recherches furent menées dès les années 1960 dans les accélérateurs de particules tels que le Rhic à New York ou le Cern près de Genève. Las, parmi toutes les particules (quarks, gluons, muons...) découvertes lors des collisions provoquées dans ces temples de l'infiniment petit, aucun monopôle magnétique !

LES "LICORNES" DE LA PHYSIQUE : Ces particules seraient-elles alors, comme certains l'envisagent, les "licornes" de la physique, ces drôles d'animaux unicornes dont l'existence, pour être plausible, ne s'incarne jamais dans la réalité ? Peut-être. Mais l'absence de résultat concret, loin de décourager les physiciens, semble au contraire doper leur imagination : toutes sortes de théories ont été échafaudées pour expliquer la mystérieuse absence des monopôles dans le bestiaire des particules observées. Il pourrait par exemple s'agir d'un objet tellement massif que les collisionneurs ne seraient pas assez puissants pour le produire ! Ou, au contraire, de neutrinos (une des particules les plus légères connues), dans un état "excité", selon l'hypothèse de George Lochak, ancien directeur de recherche au CNRS. Laquelle envisage que, soumises à une forte étincelle, ces particules pourraient même devenir fortement radioactives, ce qui expliquerait au passage le terrible accident de Tchernobyl : il serait survenu à la suite d'un simple court-circuit dans une salle de contrôle, qui aurait généré des monopôles ! Une thèse totalement invérifiable... Toutefois, un accident nucléaire provoqué par des monopôles, le Cern y a déjà pensé ! On se souvient qu'en inaugurant l'an passé son nouvel accélérateur géant, le LHC, l'institution avait dû rassurer : non, la machine n'allait pas générer des mini-trous noirs qui, in fine, engloutiraient la Suisse, l'Europe, la Terre et le système solaire ! Or, les monopôles magnétiques étaient aussi sur la sellette : un rapport sur la sécurité du LHC montre que le danger potentiel de la 'production de monopôles entraînant une réaction nucléaire en chaîne a été pris en compte. Un danger finalement écarté : si de tels emballements cataclysmiques étaient possibles, on en aurait déjà observé dans l'atmosphère, où les collisions dues aux particules issues de l'espace sont bien plus puissantes que celles provoquées dans les collisionneurs.
Plus sérieusement, c'est dans la physique de demain que les monopôles magnétiques pourraient bien jouer un rôle décisif. Car leur existence est prévue par toutes les théories de "grande unification" en cours d'élaboration, comme la célèbre théorie des cordes. Le but étant de parvenir à recoller les morceaux de la physique, scindée pour l'heure en deux camps inconciliables : mécanique quantique d'une part et relativité générale de l'autre. Autant dire que c'est l'avenir de la physique qui se joue dans ces tentatives théoriques d'unification. Or, le monopôle magnétique y apparaît systématiquement. Et pour cause : sans lui, la symétrie entre le magnétisme et l'électricité est incomplète, ainsi que Dirac le notait déjà en 1931. On comprend dès lors l'intérêt pour l'exploit réalisé par les deux équipes ayant créé un monopôle magnétique, l'une menée par Tom Fennell de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, l'autre par Jonathan Morris au Helmholtz-Zentmm à Berlin.
Concrètement, les chercheurs ont changé d'approche : ils n'ont pas cherché à produire les monopôles "libres" qui tiennent depuis si longtemps les physiciens en échec, mais à créer les conditions permettant d'en reproduire artificiellement le comportement à l'intérieur d'un matériau bien particulier - en l'occurrence du titanate d'holmium pour la première équipe et du titanate de dysprosium pour la seconde.

UN ÉTAT DE "GLACE DE SPIN" : Ces deux matériaux ferromagnétiques (c'est-à-dire capables de s'aimanter) ont des propriétés particulières à très basse température : leur ordonnancement atomique forme un réseau de tétraèdres (des petites pyramides à quatre faces) magnétisés qui rappelle celui des molécules d'eau à l'état de glace. On appelle d'ailleurs cet état "glace de spin". "Les interactions quantiques entre les paires de spins y sont très importantes, explique Tom Fennell. Dans cet état dit 'frustré', le matériau ne peut pas satisfaire toutes 'les interactions entre les spins, et doit donc faire un compromis dans lequel un maximum de paires sont équilibrées". Ainsi, chaque tétraèdre possède à ses sommets deux spins pointant vers l'intérieur et deux autres vers l'extérieur, créant des liaisons magnétiques avec les tétraèdres voisins. Or, dans ces conditions, des pseudo monopôles magnétiques peuvent apparaître : il suffit d'inverser la polarité d'un des spins... ce qui se fait naturellement dès qu'un peu d'énergie - sous forme de chaleur -, est apportée. Dès lors qu'un spin s'inverse, une première charge "sud" apparaît au cour d'un tétraèdre, ainsi qu'une seconde, de type nord, dans le tétraèdre voisin qui se trouve lui aussi déséquilibré par l'inversion de leur spin commun. Les charges magnétiques qui apparaissent sont donc bel et bien dissociées : ce sont des monopôles !
Reste maintenant à voir quels enseignements pourront être tirés de ces monopôles de synthèse. Car comme le concède Jonathan Morris, "nos monopôles ne sont pas ces particules libres qui sont activement cherchées dans les collisionneurs. D'ailleurs, à aucun moment elles ne pourraient s'échapper des glaces de spin"... Elles devraient néanmoins permettre d'en étudier leur comportement, tout en faisant progresser une discipline très en vogue : l'électronique de spin (ou spintronique), étape indispensable pour la miniaturisation des puces électroniques, et premier pas vers l'ordinateur quantique.

Un champ magnétique possède deux pôles opposés, un nord et un sud. Cette loi pourrait être remise en question par Jonathan Morris du Centre Helmholtz pour la matière et l'énergie.

Son équipe a créé un "fil" magnétique dont les extrémités ont chacune leur polarité. Autrement dit : l'équivalent de deux aimants possédant chacun un pôle unique, reliés entre eux. L'objectif ultime serait d'arriver à couper ce fil en deux parties, l'une et l'autre conservant leur pôle magnétique, afin d'obtenir des "monopôles magnétiques". Prédit par Paul Dirac en 1931, ce phénomène, qui n'a encore jamais été observé, confirmerait l'existence de particules magnétiques qui se chargeraient positivement ou négativement, tout comme le font les électrons.

En fait, les aimants n'attirent pas que le fer, mais aussi le cobalt et le nickel, voire certain métaux de la famille des terres rares. Mais hormis ces exceptions, pourquoi les non-ferreux semblent rester indifférents au champ magnétique généré par les aimants ?

Pour le comprendre, il faut pénétrer au cour de la matière et se souvenir qu'un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Leur trajectoire en orbite peut être considérée comme un courant électrique qui génère un champ magnétique dit "orbital". De plus, chaque électron possède aussi un "moment magnétique de spin", comme s'il tournait sur lui même. La combinaison de ces moments orbitaux et de spin donne le moment magnétique de chaque électron. Le moment magnétique global de l'atome est la somme des moments magnétiques des électrons. Et en additionnant les maments magnétiques de tous les atomes, on obtient le moment magnétique total du corps qu'ils constituent.
Dans de nombreux éléments, comme l'eau ou les molécules organiques, les électrons s'assemblent sur la même orbitale en paires de spins opposés, ce qui annule leurs moments de spin, mais aussi leurs moments orbitaux, comme s'ils tournaient sur la même orbite mais dans des sens différents.

ÉLECTRONS LIBRES : Dans d'autres matériaux, notamment certains conducteurs électriques (métaux), les atomes disposent d'électrons "libres", non appariés, qui font perdurer un champ magnétique au niveau des atomes. Mais généralement, les atomes se dispersent à l'intérieur du corps, ce qui annule son champ magnétique. Quand on soumet ce corps à un aimant, il ne réagit pas ou très peu.
Dans le cas des matériaux ferromagnétiques, non seulement chaque atome a un moment magnétique dû à la présence d'électrons non appariés, mais les atomes ont en plus tendance à orienter leurs moments magnétiques parallèlement et dans le même sens. La force qui les y oblige baptisée "l'interaction d'échange" est d'origine quantique et dépend notamment de la distance interatomique. L'interaction se répand entre différents atomes à l'intérieur de domaines magnétiques (des groupes d'atomes) constituant le matériau, orientés dans diverses directions, ce qui annule leur effet. Mais en présence d'un aimant, les domaines réagissent en s'alignant tous parallèlement, et le corps devient à son tour aimanté.